KR20180099085A - An optical fiber sensor for measuring the concentration of copper ion in water and a measurement system of copper concentration using the same - Google Patents

An optical fiber sensor for measuring the concentration of copper ion in water and a measurement system of copper concentration using the same Download PDF

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KR20180099085A
KR20180099085A KR1020170026071A KR20170026071A KR20180099085A KR 20180099085 A KR20180099085 A KR 20180099085A KR 1020170026071 A KR1020170026071 A KR 1020170026071A KR 20170026071 A KR20170026071 A KR 20170026071A KR 20180099085 A KR20180099085 A KR 20180099085A
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copper ion
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박병기
김범규
한화정
이남주
박지혜
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순천향대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to an optical fiber sensor for measuring the concentration of a copper ion in water and a system for measuring the concentration of a copper ion by using the same. More specifically, according to one embodiment of the present invention, provided is the optical fiber sensor for measuring the concentration of a copper ion in water, including a sensor unit, wherein a reactant responding to fluids and changing colors in accordance with the concentration of the copper ion is embedded, so that the concentration of the copper ion in water can be easily measured. Moreover, the optical fiber sensor is disposed at one end of an optical fiber, where light is vertically transmitted to be reflected in a reflecting body and then incident, thereby facilitating an approach to the water environment.

Description

수질 내 구리 이온의 농도 측정을 위한 광섬유 센서 및 이를 이용한 구리이온의 농도 측정 시스템{An optical fiber sensor for measuring the concentration of copper ion in water and a measurement system of copper concentration using the same}[0001] The present invention relates to an optical fiber sensor for measuring the concentration of copper ions in water, and an optical fiber sensor for measuring the concentration of copper ions using the same.

본 발명은 수질 내 구리 이온의 농도 측정을 위한 광섬유 센서 및 이를 이용한 구리이온의 농도 측정 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an optical fiber sensor for measuring the concentration of copper ions in water and a copper ion concentration measuring system using the same.

산업 발전으로 인해 환경 오염 물질들의 종류와 양이 급격하게 증가하면서, 인류의 안전과 건강이 심각한 위협을 받고 있다. 많은 환경 오염 물질들 중에서 중금속은 다양한 생체 독성과 질병을 일으키는 유해성이 강한 오염원이다. Due to industrial development, the kinds and quantity of environmental pollutants are rapidly increasing, and the safety and health of mankind are seriously threatened. Among the many environmental pollutants, heavy metals are a harmful source of pollutants that cause various toxicities and diseases.

또한, 자연 생태계에 배출된 대부분의 중금속은 분해되지 않고, 미생물에 의해 흡수된 후 연속적인 먹이사슬을 통해 인간을 비롯한 고등 생물들에게 그대로 전달되기 때문에, 중금속에 의한 환경 오염을 방지하는 것이 중요하다.It is also important to prevent environmental pollution by heavy metals because most of the heavy metals released into natural ecosystems are not decomposed, they are absorbed by microorganisms and then transferred directly to higher organisms including humans through continuous food chains .

중금속에 의한 환경 오염을 막기 위해서는 중금속을 정확하고 신속하게 낮은 농도까지 실시간으로 검출할 수 있는 기술이 마련되어야 한다. 특히, 인간이 겪는 전체 질병의 많은 부분이 오염된 물이나 음식과 같은 수질 환경과 밀접하게 연관되어 있기 때문에, 수용액 환경에서 중금속을 검출하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다.In order to prevent environmental pollution caused by heavy metals, technology should be provided so that heavy metals can be detected accurately and quickly at low concentrations in real time. In particular, much of the overall disease suffered by humans is closely related to the water environment such as contaminated water or food, and research is underway to detect heavy metals in aqueous environments.

이와 관련하여, 중금속을 검출하기 위한 연구가 많이 진행되고 있으나, 구리(Cu)를 효과적으로 검출할 수 있는 센서는 개발되지 않은 실정이다.In this connection, researches for detecting heavy metals have been conducted, but no sensor capable of effectively detecting Cu has been developed.

특히, 구리는 광산이나 페인트, 직물 목재 공장 등에서 유출되어 환경으로 유입되는 중금속으로 인간이나 동물의 체내에 유입되어 과도한 양의 구리가 축정되면 구리중독에 걸릴 수 있다.In particular, copper is a heavy metal that flows into mines, paints, textile timber factories, etc., into the environment and can enter the human or animal body, causing copper poisoning if an excessive amount of copper is detected.

이러한 경우, 구리중독으로 구토, 토혈, 고혈압, 황달, 위장관 장애 등이 발생할 수 있다.In such cases, copper poisoning may cause vomiting, blood clots, hypertension, jaundice, and gastrointestinal disturbances.

따라서, 수질환경에서 구리의 농도를 간단하게 실시간으로 측정할 수 있는 구리이온 측정을 위한 센서가 필요한 실정이다.Therefore, there is a need for a sensor for copper ion measurement which can measure the concentration of copper easily in real time in a water environment.

한국등록특허 제10-1557458호Korean Patent No. 10-1557458

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수질환경에서 구리 이온의 농도를 용이하게 측정할 수 있는 수질내 구리 이온의 농도 측정을 위한 광섬유 센서 및 이를 이용한 구리이온의 농도 측정 시스템을 제공하고자 한다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an optical fiber sensor for measuring the concentration of copper ions in water, .

상기 목적을 달성하기 위하여,In order to achieve the above object,

본 발명의 일 실시예에서,In one embodiment of the invention,

광을 전송하는 광섬유;An optical fiber for transmitting light;

광섬유의 일단이 삽입되며, 내부에 공간이 형성된 하우징; 및A housing into which one end of the optical fiber is inserted and in which a space is formed; And

하우징 내에서 상기 광섬유의 일단과 대향되는 위치에 형성되며, 유체와 반응하여 유체내의 구리이온의 농도에 따라 색상이 변화되는 반응물질이 함침되어 있는 센서부; 를 포함하는 수질 내 구리 이온의 농도 측정을 위한 광섬유 센서를 제공한다.A sensor unit formed at a position opposite to one end of the optical fiber in the housing and impregnated with a reaction material that changes color depending on the concentration of copper ions in the fluid in reaction with the fluid; The present invention provides an optical fiber sensor for measuring the concentration of copper ions in water.

본 발명의 일 실시예에 따른 수질내 구리 이온의 농도 측정을 위한 광섬유 센서는 유체와 반응하여 유체내의 구리이온의 농도에 따라 색상이 변화되는 반응물질이 함침되어 있는 센서부를 포함함으로써, 수질내 구리이온의 농도를 용이하게 측정할 수 있는 효과가 있다.The optical fiber sensor for measuring the concentration of copper ions in the water according to an embodiment of the present invention includes a sensor unit impregnated with a reactive material which changes in color depending on the concentration of copper ions in the fluid in reaction with the fluid, The concentration of ions can be easily measured.

특히, 광섬유 센서는 빛이 수직으로 투과하여 반사체에 반사되고 다시 입사되는 광섬유의 일단에 배치되어 수질환경에 접근이 용이하도록 형성되어 있다.Particularly, the optical fiber sensor is disposed at one end of the optical fiber which is vertically transmitted by the light, reflected by the reflector, and then incident again, so that the optical fiber sensor is easily accessible to the water environment.

아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수질내 구리 이온의 농도 측정을 위한 광섬유 센서를 이용한 구리이온의 농도 측정 시스템은 광을 발생하는 광원에서 보내고 반사되어 입사되는 빛을 전송받아 광신호 처리부로 전송되게 구성되고 광 출력부로 스펙트럼 또는 흡광도를 통해 구리이온의 농도값을 용이하게 확인할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to another embodiment of the present invention, the copper ion concentration measuring system using the optical fiber sensor for measuring the copper ion concentration in the water is sent from the light source that generates the light, and the reflected light is transmitted to the optical signal processor And the concentration value of the copper ion can be easily confirmed through the spectrum or the absorbance to the optical output unit.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수질 내 구리 이온의 농도 측정을 위한 광섬유 센서 를 이용한 구리이온의 농도 측정 시스템의 구성도이다.
1 is a configuration diagram of an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a configuration diagram of a copper ion concentration measuring system using an optical fiber sensor for measuring the concentration of copper ions in a water quality according to another embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범우에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것을 이해되어야 한다.It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.

본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, the terms "comprising" or "having ", and the like, specify that the presence of a feature, a number, a step, an operation, an element, a component, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 일 실시예에서,The present invention, in one embodiment,

광을 전송하는 광섬유;An optical fiber for transmitting light;

광섬유의 일단이 삽입되며, 내부에 공간이 형성된 하우징; 및A housing into which one end of the optical fiber is inserted and in which a space is formed; And

하우징 내에서 상기 광섬유의 일단과 대향되는 위치에 형성되며, 유체와 반응하여 유체내의 구리이온의 농도에 따라 색상이 변화되는 반응물질이 함침되어 있는 센서부; 를 포함하는 수질 내 구리 이온의 농도 측정을 위한 광섬유 센서를 제공한다.A sensor unit formed at a position opposite to one end of the optical fiber in the housing and impregnated with a reaction material that changes color depending on the concentration of copper ions in the fluid in reaction with the fluid; The present invention provides an optical fiber sensor for measuring the concentration of copper ions in water.

보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질내 구리 이온의 농도 측정을 위한 광섬유 센서는 유체와 반응하여 유체내의 구리이온의 농도에 따라 색상이 변화되는 반응물질이 함침되어 있는 센서부를 포함함으로써, 수질내 구리이온의 농도를 용이하게 측정할 수 있는 효과가 있다.More specifically, the optical fiber sensor for measuring the concentration of copper ions in the water according to an embodiment of the present invention includes a sensor unit impregnated with a reactive material that changes color depending on the concentration of copper ions in the fluid in reaction with the fluid , The concentration of copper ions in the water quality can be easily measured.

특히, 광섬유 센서는 빛이 수직으로 투과하여 반사체에 반사되고 다시 입사되는 광섬유의 일단에 배치되어 수질환경에 접근이 용이하도록 형성되어 있다.Particularly, the optical fiber sensor is disposed at one end of the optical fiber which is vertically transmitted by the light, reflected by the reflector, and then incident again, so that the optical fiber sensor is easily accessible to the water environment.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서의 구성도이다.1 is a configuration diagram of an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention.

이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서를 상세히 설명한다.Hereinafter, an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서(100)는 광섬유(110), 상기 광섬유가 삽입되는 하우징(130), 상기 하우징(130) 내에 포함되는 센서부(140)를 포함한다.1, an optical fiber sensor 100 according to an embodiment of the present invention includes an optical fiber 110, a housing 130 into which the optical fiber is inserted, and a sensor unit 140 included in the housing 130 do.

먼저 광섬유(110)는 기본적으로 소정의 반사율을 갖는 물질로 이루어진 코어를 포함하며, 상기 코어와 반사율이 서로 다른 물질로 이루어진 클래딩으로 구성되는 유리 광섬유일 수 있다.First, the optical fiber 110 may be a glass optical fiber including a core made of a material having a predetermined reflectivity, and a cladding made of a material having a different reflectance from the core.

이때, 광섬유(110)의 열화를 방지하기 위하여 상기 클래딩의 외주면에는 내열성이 좋은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 주석(Sn) 등의 금속물질을 코팅한 것을 사용할 수 있다.In order to prevent deterioration of the optical fiber 110, a metal material such as aluminum (Al), copper (Cu), or tin (Sn) having good heat resistance may be coated on the outer circumferential surface of the cladding.

한편, 상기 광섬유(110)는 광섬유 결합부(120) 내에 삽입되어 하우징(130)으로 삽입되게 되는데, 광섬유 결합부(120)는 스테인레스 스틸 또는 인코넬 합금으로 형성되어 있으며, 스테인레스 스틸이나 인코넬 합금은 내화학성 및 내열성이 우수한 재질로서, 내부의 광섬유(110)를 안전하게 보호할 수 있다.The optical fiber 110 is inserted into the optical fiber coupler 120 and inserted into the housing 130. The optical fiber coupler 120 is formed of stainless steel or an inconel alloy, It is possible to safely protect the optical fiber 110 inside, which is excellent in chemical resistance and heat resistance.

이에 더하여, 하우징(130)은 상부에 광섬유(110)가 광섬유 결합부(120)에 의해서 삽입되며, 내부에 공간이 형성될 수 있다.In addition, the optical fiber 110 is inserted into the upper portion of the housing 130 by the optical fiber coupler 120, and a space can be formed therein.

특히, 하우징(130)은 내부에 센서부(140)를 포함하며, 상기 센서부(140)는 하우징(130) 내에서 광섬유(110)의 일단과 대향되는 위치에 형성되며, 유체와 반응하여 유체내의 구리이온의 농도에 따라 색상이 변화되는 반응물질이 함침되어 있는 것을 특징으로 한다.In particular, the housing 130 includes a sensor unit 140. The sensor unit 140 is disposed at a position opposite to one end of the optical fiber 110 in the housing 130, And the reaction material is changed in color depending on the concentration of copper ions in the substrate.

여기서, "대향된다" 라고 함은 서로 마주보도록 형성되는 것을 의미한다.Here, the term "opposed" means to be formed to face each other.

이때, 상기 센서부(140)는 졸-겔(sol-gel)법에 의해서 졸-겔 용액에 함침하여 코팅될 수 있다.At this time, the sensor unit 140 may be coated by impregnating the sol-gel solution by a sol-gel method.

본 발명에서 "졸-겔(sol-gel) 법" 이라 함은 알콕시드 등을 가수분해하여 얻어지는 졸에서 겔을 거쳐 유리나 무기 산화물 분체를 조제하는 방법을 의미한다.The term "sol-gel method" in the present invention means a method of preparing glass or inorganic oxide powder through a gel in a sol obtained by hydrolyzing an alkoxide or the like.

통상적으로, 졸-겔은 실리콘이나 금속 알콕사이드(metal alkoxide) 단위 전구체(precursor) 를 기반으로 합성한 용액에서 생성된 입자 형태의 졸 또는 고분자 형태의 졸이 겔화 과정을 통해 무기질 망상조직(network) 으로 변화되어 생성되는 물질로서, 건조과정을 통해 경화되면서 기계적 강도가 강화되어 다공질의 박막이나 코팅재료 등으로 사용될 수 있다.Generally, the sol-gel is prepared by sol-gelation of a sol or polymer-like sol in the form of particles produced in a solution synthesized based on silicon or a metal alkoxide unit precursor, into a mineral network As a material to be changed, it is hardened through a drying process and its mechanical strength is strengthened so that it can be used as a porous thin film or a coating material.

아울러, 졸-겔 공정은 높은 균질성과 낮은 소성온도(firing temperature), 다공성 고분자막을 비교적 간단한 방법으로 제조할 수 있는 것으로, 다른 환경 인자에 대한 저항성이 크고, 빛의 투과성이 우수하기 때문에 광학 센서 제작에 유용하다.In addition, the sol-gel process can produce a high homogeneity, a low firing temperature, and a porous polymer membrane by a comparatively simple method. Since the sol-gel process has high resistance to other environmental factors and has excellent light transmittance, .

본 발명의 일 실시예에서는 상술한 바와 같은 졸-겔법을 통해 내구성이 좋은 반응막을 형성하고, 반응막을 형성하는 과정에서 유체 내의 Cu2 + 측정을 위한 Cu2 + 반응물질을 함침시켜 구성함으로써, 고온·고압의 환경 하에서도 장시간 사용이 가능하도록 할 수 있다.In one embodiment of the invention a sol as described above - by constructing impregnated with Cu 2 + reactants for Cu 2 + measured in the fluid in the course of durability is formed and the reaction film is good reaction membrane through the gel method, a high temperature · It can be used for a long time under high pressure environment.

이때, 반응물질은 8-하이드록시퀴놀라인(8-Hydroxyquinoline) 유도체일 수 있으며, 보다 상세하게는 하기 화학식 1로 표시되는 (E)-4-((8-하이드록시퀴놀린-2-일)-메틸렌아미노)-1,5-디메틸-2-페닐-1H-피라졸-3(2H)-원 ((E)-4-((8-hydroxyquinolin-2-yl)methyleneamino)-1,5-dimethyl-2-phenyl-1H-pyrazol-3(2H)-one 일 수 있다.In this case, the reactant may be an 8-hydroxyquinoline derivative, more specifically, (E) -4- (8-hydroxyquinolin-2-yl) ((E) -4 - ((8-hydroxyquinolin-2-yl) methyleneamino) -1,5-dimethyl- dimethyl-2-phenyl-1H-pyrazol-3 (2H) -one.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

한편, 상기 화학식 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 8-히드록시퀴놀린(8-hydroxyquinoline) 유도체 합성에 의해서 제조될 수 있으며, 하나의 예로 하기의 반응식 1에 의해서 형성할 수 있다.Meanwhile, Formula 1 can be prepared by synthesizing an 8-hydroxyquinoline derivative according to an embodiment of the present invention. For example, Formula 1 can be prepared by the following Reaction Formula 1.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

아울러, 졸-겔 용액은 물 또는 물과 알코올의 혼합 용매에 실리카 전구체와 실란 결합제를 혼합하고, 상기 8-하이드록시퀴놀라인(8-Hydroxyquinoline) 유도체를 첨가하여 제조할 수 있으며, 보다 상세한 내용은 후술하도록 한다.The sol-gel solution can be prepared by mixing a silica precursor and a silane coupling agent in water or a mixed solvent of water and alcohol, and adding the 8-hydroxyquinoline derivative thereto. Will be described later.

이에 더하여, 하우징(130)은 하우징(130) 내부의 공간으로 유체의 유입 및 배출이 가능하도록 하우징의 양측에 유입구(131) 및 배출구(131)를 포함할 수 있으며, 내부에 광섬유(110)를 통해 입사되는 광을 반사시키는 반사막(141)을 포함할 수 있다.In addition, the housing 130 may include an inlet 131 and an outlet 131 on both sides of the housing to allow fluid to flow into and out of the space inside the housing 130, and an optical fiber 110 And a reflection film 141 for reflecting light incident thereon.

이때, 반사막(141)은 광섬유(110)를 통해 전송되어 센서부(140)를 투과한 광을 반사시켜 다시 광섬유(110)로 입사시키게 되며, 반사막(141)은 알루미늄(Al), 은(Ag) 및 금(Au) 으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한가지 금속으로 형성될 수 있다.The reflection film 141 is transmitted through the optical fiber 110 and reflects the light transmitted through the sensor unit 140 and enters the optical fiber 110. The reflection film 141 is formed of aluminum (Al), silver (Ag ) And gold (Au).

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수질 내 구리 이온의 농도 측정을 위한 광섬유 센서 를 이용한 구리이온의 농도 측정 시스템의 구성도이다.2 is a configuration diagram of a copper ion concentration measuring system using an optical fiber sensor for measuring the concentration of copper ions in a water quality according to another embodiment of the present invention.

도 2를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 구리이온의 농도 측정 시스템을 상세히 설명하도록 한다.Referring to FIG. 2, a copper ion concentration measuring system according to another embodiment of the present invention will be described in detail.

도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 구리이온의 농도 측정 시스템은 수질 내 구리이온에 따라 색상이 변화되는 반응물질이 형성되어 있는 광섬유 센서(100); 광섬유 센서(100)의 광섬유(110)의 타단에서 연결되는 광 커플러(300); 상기 광 커플러(300)에 제1광섬유(212)를 통해 연결되고, 일정한 파장의 광을 방출하는 광원(400); 광 커플러(300)에 제2광섬유(212)를 통해 연결되어, 제2광섬유(212)를 통해 전송되는 광을 검출하여 전기신호로 변환하고, 상기 변환된 전기신호를 이용하여 수질 내의 구리 이온값을 출력하는 광신호처리부(500); 및 상기 광신호처리부(500)에서 출력된 구리이온 농도값을 입력받아 외부로 출력하는 출력부(600); 를 포함하는 구리이온의 농도 측정 시스템을 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 2, the copper ion concentration measuring system according to another embodiment of the present invention includes an optical fiber sensor 100 having a reactant material changing in color depending on copper ions in the water; An optical coupler 300 connected at the other end of the optical fiber 110 of the optical fiber sensor 100; A light source 400 connected to the optical coupler 300 through a first optical fiber 212 and emitting light having a predetermined wavelength; And a second optical fiber 212 connected to the optical coupler 300 through a second optical fiber 212. The optical fiber 212 detects light transmitted through the second optical fiber 212 and converts the light into an electrical signal, An optical signal processing unit 500 for outputting an optical signal; An output unit 600 receiving the copper ion concentration value output from the optical signal processing unit 500 and outputting the copper ion concentration value to the outside; And a copper ion concentration measuring system including the copper ion concentration measuring system.

상기 광섬유 센서(100)는 하우징(130)에 삽입되어, 유입구(131)를 통해 하우징(130) 공간으로 유입된 유체와의 반응에 의해 색상이 변화된 Cu2 + 반응물질에 광섬유를 통해 전송되는 광을 투사하고, 투사된 광이 Cu2 + 반응물질을 투과하면서 파장이 변경된 광을 다시 광섬유를 통해 수광하여 전송한다.The fiber optic sensor 100 includes a light transmitted through an optical fiber to a changed Cu 2 + reactant color by reaction with the introduced fluid to a housing 130, the space is inserted into the housing 130, through inlet 131, And transmits the light whose wavelength is changed while the projected light is transmitted through the Cu 2 + reactive material, through the optical fiber again, and transmits the light.

이때, 광섬유 센서(100)로부터 연장되는 광섬유(110)는 상술한 바와 같이,고압·고온 환경 하에서 견딜 수 있도록 광섬유를 구성하는 클래딩의 표면에 금속물질을 코팅하여 구성된 것으로, 매우 고가이므로 시스템을 구성하는데 비용을 증가시키게 된다.As described above, the optical fiber 110 extending from the optical fiber sensor 100 is formed by coating a metal material on the surface of the cladding constituting the optical fiber so as to withstand a high-pressure and high-temperature environment. Thereby increasing the cost.

따라서, 광섬유 센서(100)의 후단으로 연장되어 수광된 광을 광 커플러(300)로 전달하는 광섬유(110)를 구성함에 있어서는 상기 광섬유 센서(100)의 후단으로 연장되는 광섬유(110)에 광 커넥터(200)를 이용하여 비교적 저가의 유리광섬유(210)나 플라스틱 광섬유를 연결하여 구성할 수 있다.The optical fiber 110 is connected to the optical fiber 110 extending to the rear end of the optical fiber sensor 100. The optical fiber 110 is connected to the optical fiber 110, A relatively inexpensive glass optical fiber 210 or a plastic optical fiber can be connected using the optical fiber 200.

상술한 바와 같은 구성을 통하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서(100)를 이용한 구리이온의 농도 측정 시스템에서는 광원(400)에서 방출되어 제1광섬유(212)를 통해 광 커플러(300)에 전달된 광은 광 커플러(300)에 연결된 광섬유(110)를 통해 광섬유 센서(100)로 전송되고, 상기 광섬유 센서(100)에서 유체내의 구리이온에 따라 파장이 변경된 광은 다시 광섬유(110)를 통해 광 커플러(300)로 전송되며, 광 커플로(300)를 통과하는 과정에서 파장이 변경된 광만이 선별되어 제2광섬유(214)를 통해 광신호처리부(500)로 전송되게 된다.In the copper ion concentration measuring system using the optical fiber sensor 100 according to an embodiment of the present invention, the light emitted from the light source 400 is emitted to the optical coupler 300 through the first optical fiber 212 The transmitted light is transmitted to the optical fiber sensor 100 through the optical fiber 110 connected to the optical coupler 300. The light whose wavelength is changed in accordance with the copper ion in the fluid in the optical fiber sensor 100 is again transmitted through the optical fiber 110 And only the light having the changed wavelength is selected and transmitted to the optical signal processing unit 500 through the second optical fiber 214. In this case,

이후 광신호처리부(500)는 제2광섬유(214)를 통해 전송된 광을 검출하여 검출된 광을 분광분석함으로써 유체의 Cu2 + 의 값을 출력하고, 광신호처리부(500)에서 출력되는 유체의 Cu2 + 농도값은 출력부(600)를 통해 실시간으로 외부로 출력된다. 이때, 출력부는 컴퓨터 등이 사용될 수 있다.Then, the optical signal processing unit 500 detects the light transmitted through the second optical fiber 214 and outputs the value of Cu 2 + of the fluid by spectroscopically analyzing the detected light, of Cu 2 + concentration value is output in real time to the outside through an output unit 600. At this time, a computer or the like can be used as the output unit.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Experimental Examples.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to the following Examples and Experimental Examples.

<< 실시예Example >>

실시예Example 1. 8- 1. 8- 히드록시퀴놀린Hydroxyquinoline (8-(8- hydroxyquinolinehydroxyquinoline ) 유도체 화합물 제조) Preparation of derivative compounds

1-1. 시약 및 기기1-1. Reagents and devices

8-히드록시퀴놀린-2-카르복실산(8-hydroxyquinoline-2-carboxylic acid), 4-아미노안티피린(4-aminoantipyrine) 및 용매인 아세토니트릴(acetonitrile), 에탄올(ethanol)은 Aldrich 제품을 사용하였다.Aldrich products were used as 8-hydroxyquinoline-2-carboxylic acid, 4-aminoantipyrine and acetonitrile and ethanol as solvents .

그리고, 졸-겔 센서를 제조하기 위하여 실리카 전구체로서 TMOS(Tetramethyl orthosilicate)를 Aldrich 에서 구입하였으며, 실란 결합제로서 MTMS(Methytrimethoxysilane) 을 Aldrich 에서 구입하여 사용하였다.TMOS (Tetramethyl orthosilicate) was purchased from Aldrich as a silica precursor and MTMS (Methytrimethoxysilane) was purchased from Aldrich as a silane coupling agent to prepare a sol-gel sensor.

1-2. 8-히드록시퀴놀린(8-hydroxyquinoline) 유도체 합성1-2. Synthesis of 8-hydroxyquinoline (8-hydroxyquinoline) derivative

8-히드록시퀴놀린-2-카르복실산 1mmol(170mg) 과 4-아미노안티피린 1mmol(200mg) 을 에탄올 20ml 에 1:1로 용해시켜 반응시켰다.Hydroxyquinoline-2-carboxylic acid (170 mg) and 1 mmol (4 mmol) of 4-aminoantipyrine were dissolved in 20 ml of ethanol at a ratio of 1: 1.

그리고, 1시간 후 반응이 종료되면 용매를 감압하에 제거하고, 불순물 제거를 위해 에탄올로 세정하고 거름종이에 걸러진 침전물을 공기 중에서 건조하여 아래의 반응식 1에 나타낸 것처럼 8-히드록시퀴놀린 유도체를 획득하였다.After 1 hour, when the reaction was completed, the solvent was removed under reduced pressure, washed with ethanol to remove impurities, and the precipitate filtered on the filter paper was dried in air to obtain an 8-hydroxyquinoline derivative as shown in Scheme 1 below .

보다 구체적으로, 8-히드록시퀴놀린-2-카르복실산과 4-아미노안티피린를 반응시켜 (E)-4-((8-하이드록시퀴놀린-2-일)-메틸렌아미노)-1,5-디메틸-2-페닐-1H-피라졸-3(2H)-원 ((E)-4-((8-hydroxyquinolin-2-yl)methyleneamino)-1,5-dimethyl-2-phenyl-1H-pyrazol-3(2H)-one 을 획득하였다.More specifically, by reacting 8-hydroxyquinoline-2-carboxylic acid with 4-aminoantipyrine, (E) -4 - ((8-hydroxyquinolin- Phenyl-1H-pyrazol-3 (2H) -one ((E) -4 - ((8-hydroxyquinolin-2-yl) methyleneamino) -1,5-dimethyl- (2H) -one.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

1-3. 센서의 제작1-3. Manufacture of sensor

본 실시예에서는 실시예 1-2에서 획득한 8-히드록시퀴놀린 유도체를 이용하여 구리이온의 농도를 측정하기 위한 졸-겔 센서를 제조하였다.In this Example, a sol-gel sensor for measuring the copper ion concentration was prepared using the 8-hydroxyquinoline derivative obtained in Example 1-2.

센서의 반응막은 졸-겔 메커니즘을 이용하였으며, 졸-겔 용액으로 물과 알코올의 혼합 용매에 실리카 전구체로서의 TMOS(TetraEthyl OrthoSilicate) 24ml와 실란 결합제로서의 MTMS(Methyltrimethoxysilane)을 6ml 혼합하였다.The reaction membrane of the sensor used a sol-gel mechanism, and 24 ml of TMOS (TetraEthyl OrthoSilicate) as a silica precursor and 6 ml of MTMS (Methyltrimethoxysilane) as a silane coupling agent were mixed in a mixed solvent of water and alcohol as a sol-gel solution.

이때, TMOS, MTMS, EtOH, 초순수 부피비를 4: 1:5:1.25로 섞고 합성된 유도체의 Acetonitrile 용액 40ml 에 유도체 0.1785g 을 용해시켜 5.0×10-4M 호스트 용액을 혼합하여 30분 교반으로 총 97ml 의 졸-겔 용액을 얻었으며 상온에서 3시간 교반 후 24시간동안 실온에서 보관하고 60에서 3시간동안 가열 교반한 후 밀폐하여 1일동안 실온에서 방치하였다.At this time, 0.1785 g of the derivative was dissolved in 40 ml of the acetonitrile solution of the synthesized derivatives of TMOS, MTMS, EtOH, and ultrapure water in a volume ratio of 4: 1: 5: 1.25, and 5.0 × 10 -4 M host solution was mixed. The solution was stirred at room temperature for 3 hours and then stored at room temperature for 24 hours. The mixture was heated and stirred at 60 ° C for 3 hours. The mixture was sealed and allowed to stand at room temperature for 1 day.

그리고, 제조된 졸-겔 용액을 슬라이드 글라스에 코팅하여 상온에서 3일동안 건조시킨 후 7일간 실리카겔이 내제된 데시케이터에서 실온 건조하여 졸-겔 센서를 제조하였다.The prepared sol-gel solution was coated on a slide glass, dried at room temperature for 3 days, and dried at room temperature in a desiccator equipped with silica gel for 7 days to prepare a sol-gel sensor.

100: 광섬유 센서
110: 광섬유 111: 광섬유 일단
120: 광섬유 연결부
130: 하우징 131: 유입구/배출구
140: 센서부 141: 반사막
200: 광 커넥터 210: 유리광섬유
212: 제1광섬유 214: 제2광섬유
300: 광 커플러 400: 광원
500: 광신호처리부 600: 출력부
100: Fiber optic sensor
110: optical fiber 111: optical fiber once
120: fiber optic connection
130: housing 131: inlet / outlet
140: Sensor part 141:
200: optical connector 210: glass optical fiber
212: first optical fiber 214: second optical fiber
300: Optocoupler 400: Light source
500: Optical signal processing unit 600: Output unit

Claims (9)

광을 전송하는 광섬유;
광섬유의 일단이 삽입되며, 내부에 공간이 형성된 하우징; 및
하우징 내에서 상기 광섬유의 일단과 대향되는 위치에 형성되며, 유체와 반응하여 유체내의 구리이온의 농도에 따라 색상이 변화되는 반응물질이 함침되어 있는 센서부; 를 포함하는 수질 내 구리 이온의 농도 측정을 위한 광섬유 센서.
An optical fiber for transmitting light;
A housing into which one end of the optical fiber is inserted and in which a space is formed; And
A sensor unit formed at a position opposite to one end of the optical fiber in the housing and impregnated with a reactive material that changes color depending on the concentration of copper ions in the fluid in reaction with the fluid; A fiber optic sensor for measuring the concentration of copper ions in water.
제1항에 있어서,
하우징은
상기 공간으로 유체의 유입 및 배출이 가능하도록 하우징의 양측에 유입구 및 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서.
The method according to claim 1,
The housing
And an inlet and an outlet are provided on both sides of the housing to allow the fluid to flow in and out of the space.
제1항에 있어서,
하우징은
내부에 광섬유를 통해 입사되는 광을 반사시키는 반사막을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서.
The method according to claim 1,
The housing
And a reflection film for reflecting the light incident through the optical fiber inside the optical fiber sensor.
제3항에 있어서,
반사막은
알루미늄(Al), 은(Ag) 및 금(Au) 으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 한 가지 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서.
The method of claim 3,
The reflective film
Wherein the optical fiber is formed of any one metal selected from the group consisting of aluminum (Al), silver (Ag), and gold (Au).
제1항에 있어서,
센서부는
8-하이드록시퀴놀라인(8-Hydroxyquinoline) 유도체가 함침된 것을 특징으로 하는 광섬유 센서.
The method according to claim 1,
The sensor unit
Wherein the 8-hydroxyquinoline derivative is impregnated with an 8-hydroxyquinoline derivative.
제5항에 있어서,
8-하이드록시퀴놀라인(8-Hydroxyquinoline) 유도체는
하기 화학식 1로 표시되는 (E)-4-((8-하이드록시퀴놀린-2-일)-메틸렌아미노)-1,5-디메틸-2-페닐-1H-피라졸-3(2H)-원 ((E)-4-((8-hydroxyquinolin-2-yl)methyleneamino)-1,5-dimethyl-2-phenyl-1H-pyrazol-3(2H)-one 인 것을 특징으로 하는 광섬유 센서.

[화학식 1]
Figure pat00004

6. The method of claim 5,
The 8-hydroxyquinoline derivative is an 8-hydroxyquinoline derivative
(E) -4 - ((8-hydroxyquinolin-2-yl) -methyleneamino) -1,5-dimethyl- ((E) -4 - ((8-hydroxyquinolin-2-yl) methyleneamino) -1,5-dimethyl-2-phenyl-1H-pyrazol-3 (2H) -one.

[Chemical Formula 1]
Figure pat00004

제5항에 있어서,
센서부는
졸-겔 용액에 함침하여 코팅한 것을 특징으로 하는 광섬유 센서.
6. The method of claim 5,
The sensor unit
Sol-gel solution.
제7항에 있어서,
졸-겔 용액은
물 또는 물과 알코올의 혼합 용매에 실리카 전구체와 실란 결합제를 혼합하고, 상기 8-하이드록시퀴놀라인(8-Hydroxyquinoline) 유도체를 첨가하여 제조된 것을 특징으로 하는 광섬유 센서.
8. The method of claim 7,
The sol-gel solution
Wherein a silica precursor and a silane coupling agent are mixed in water or a mixed solvent of water and alcohol, and the 8-hydroxyquinoline derivative is added thereto.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 광섬유 센서를 이용하여 수질 내 구리 이온의 농도를 측정하는 시스템에 있어서,
수질 내 구리이온에 따라 색상이 변화되는 반응물질이 형성되어 있는 광섬유 센서;
광섬유 센서의 광섬유의 타단에서 연결되는 광 커플러;
상기 광 커플러에 제1광섬유를 통해 연결되고, 일정한 파장의 광을 방출하는 광원;
광 커플러에 제2광섬유를 통해 연결되어, 제2광섬유를 통해 전송되는 광을 검출하여 전기신호로 변환하고, 상기 변환된 전기신호를 이용하여 수질 내의 구리 이온값을 출력하는 광신호처리부; 및
상기 광신호처리부에서 출력된 구리이온 농도값을 입력받아 외부로 출력하는 출력부; 를 포함하는 구리이온의 농도 측정 시스템.
9. A system for measuring the concentration of copper ions in water using an optical fiber sensor according to any one of claims 1 to 8,
An optical fiber sensor in which a reaction material whose color changes according to copper ions in a water quality is formed;
An optical coupler connected at the other end of the optical fiber of the optical fiber sensor;
A light source connected to the optical coupler through a first optical fiber and emitting light having a predetermined wavelength;
An optical signal processing unit connected to the optical coupler via a second optical fiber for detecting light transmitted through the second optical fiber and converting the light into an electric signal and outputting a copper ion value in the water quality using the converted electric signal; And
An output unit for receiving the copper ion concentration value output from the optical signal processing unit and outputting the copper ion concentration value to the outside; Wherein the copper ion concentration measuring system comprises:
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